葡萄糖是我們從我們吃的食物中吸收的糖分。它是為我們體內(nèi)每個細胞提供動力的燃料。葡萄糖還能為明天的醫(yī)療植入物提供動力嗎？

麻省理工學(xué)院和慕尼黑工業(yè)大學(xué)的工程師都這么認為。他們設(shè)計了一種新型葡萄糖燃料電池，可將葡萄糖直接轉(zhuǎn)化為電能。該裝置比其他提議的葡萄糖燃料電池更小，厚度僅為 400 納米，約為人類頭發(fā)直徑的 1/100。含糖電源每平方厘米產(chǎn)生約 43 微瓦的電力，在環(huán)境條件下實現(xiàn)了迄今為止任何葡萄糖燃料電池的功率密度。

新設(shè)備還具有彈性，能夠承受高達 600 攝氏度的溫度。如果結(jié)合到醫(yī)療植入物中，燃料電池可以通過所有可植入設(shè)備所需的高溫過程保持穩(wěn)定。

新設(shè)備的核心由陶瓷制成，這種材料即使在高溫和微型尺度下也能保持其電化學(xué)特性。研究人員設(shè)想，新設(shè)計可以制成超薄膜或涂層，并包裹在植入物周圍，利用人體豐富的葡萄糖供應(yīng)為電子設(shè)備被動供電。

“葡萄糖在體內(nèi)無處不在，我們的想法是收集這種現(xiàn)成的能量并將其用于為可植入設(shè)備提供動力，”Philipp Simons 說，他在麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系的博士論文中開發(fā)了該設(shè)計。 DMSE)。“在我們的工作中，我們展示了一種新的葡萄糖燃料電池電化學(xué)?！?/span>

Simons 的論文 Jennifer LM Rupp 說：“您可以使用薄膜制造設(shè)備，而不是使用可能占據(jù)植入物體積 90% 的電池，并且您將擁有一個沒有體積足跡的電源?！睂?dǎo)師，DMSE客座教授，德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)固態(tài)電解質(zhì)化學(xué)副教授。

西蒙斯和他的同事今天在《先進材料》雜志上詳細介紹了他們的設(shè)計。該研究的合著者包括 Rupp、Steven Schenk、Marco Gysel 和 Lorenz Olbrich。

“硬”分離

新型燃料電池的靈感來自 2016 年，當時專門研究陶瓷和電化學(xué)設(shè)備的 Rupp 在懷孕快要結(jié)束時進行了常規(guī)葡萄糖測試。

“在醫(yī)生的辦公室里，我是一個非常無聊的電化學(xué)家，想著你可以用糖和電化學(xué)做什么，”魯普回憶道。“然后我意識到，擁有一個以葡萄糖為動力的固態(tài)設(shè)備會很好。菲利普和我在喝咖啡時見面，并在餐巾紙上寫下了幅畫?！?/span>

該團隊并不是個構(gòu)思葡萄糖燃料電池的人，該電池初是在 1960 年代引入的，并顯示出將葡萄糖的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的潛力。但當時的葡萄糖燃料電池基于軟聚合物，很快就被碘化鋰電池取代，后者將成為醫(yī)療植入物的標準電源，尤其是心臟起搏器。

然而，電池的尺寸有限，因為它們的設(shè)計需要物理容量來存儲能量。

“燃料電池直接轉(zhuǎn)換能量而不是將其存儲在設(shè)備中，因此您不需要將能量存儲在電池中所需的所有體積，”Rupp 說。

近年來，科學(xué)家們再次將葡萄糖燃料電池視為潛在的更小的能源，直接由人體豐富的葡萄糖提供燃料。

葡萄糖燃料電池的基本設(shè)計由三層組成：頂部陽極、中間電解質(zhì)和底部陰極。陽極與體液中的葡萄糖發(fā)生反應(yīng)，將糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖酸。這種電化學(xué)轉(zhuǎn)換釋放出一對質(zhì)子和一對電子。中間電解質(zhì)的作用是將質(zhì)子與電子分離，將質(zhì)子傳導(dǎo)通過燃料電池，在那里它們與空氣結(jié)合形成水分子——一種無害的副產(chǎn)物，隨體液流走。同時，隔離的電子流向外部電路，可用于為電子設(shè)備供電。

該團隊希望通過修改通常由聚合物制成的電解質(zhì)層來改進現(xiàn)有材料和設(shè)計。但是聚合物的特性，連同它們傳導(dǎo)質(zhì)子的能力，在高溫下很容易降解，當縮小到納米尺寸時很難保持，而且很難消毒。研究人員想知道是否可以將陶瓷——一種可以自然傳導(dǎo)質(zhì)子的耐熱材料——制成葡萄糖燃料電池的電解質(zhì)。

“當你想到用于這種葡萄糖燃料電池的陶瓷時，它們具有長期穩(wěn)定性、可擴展性小和硅芯片集成等優(yōu)勢，”Rupp 指出。“它們堅硬而健壯?！?/span>

峰值功率

研究人員設(shè)計了一種葡萄糖燃料電池，其電解質(zhì)由二氧化鈰制成，二氧化鈰是一種具有高離子電導(dǎo)率的陶瓷材料，機械強度高，因此被廣泛用作氫燃料電池的電解質(zhì)。它也被證明是生物相容的。

“癌癥研究界正在積極研究二氧化鈰，”西蒙斯指出。“它也類似于用于牙齒植入物的氧化鋯，具有生物相容性和安全性。”

該團隊將電解質(zhì)與由鉑制成的陽極和陰極夾在中間，鉑是一種容易與葡萄糖反應(yīng)的穩(wěn)定材料。他們在一個芯片上制造了 150 個單獨的葡萄糖燃料電池，每個大約 400 納米薄，大約 300 微米寬（大約 30 根人類頭發(fā)的寬度）。他們將電池圖案化到硅晶片上，表明這些設(shè)備可以與常見的半導(dǎo)體材料配對。然后，他們測量了每個電池在定制測試站中將葡萄糖溶液流過每個晶片時產(chǎn)生的電流。

他們發(fā)現(xiàn)許多電池產(chǎn)生的峰值電壓約為 80 毫伏。鑒于每個電池的尺寸很小，該輸出是任何現(xiàn)有葡萄糖燃料電池設(shè)計中的功率密度。

“令人興奮的是，我們能夠獲得足以為植入式設(shè)備供電的功率和電流，”西蒙斯說。

“這是次將電陶瓷材料中的質(zhì)子傳導(dǎo)用于葡萄糖到能量的轉(zhuǎn)換，定義了一種新型的電化學(xué)，”Rupp 說。“它將材料用例從氫燃料電池擴展到新的、令人興奮的葡萄糖轉(zhuǎn)換模式?！?/span>

挪威奧斯陸大學(xué)化學(xué)教授特魯斯·諾比（Truls Norby）沒有參與這項工作，他說，研究人員“開辟了一條新途徑，為植入傳感器和其他功能的微型電源開辟了一條新途徑?！?nbsp;“所使用的陶瓷無毒、便宜，而且對體內(nèi)條件和植入前的消毒條件都呈惰性。到目前為止，這個概念和示范確實很有希望?！?/span>